第21卷第3期重庆建筑大学学报Vol.21No.3 1999年6月Journal of Chongqing Jianzhu University Jun.1999现代全液压挖掘机多路阀的功能陈世教,洪昌银,刘琛(重庆建筑大学机电工程学院400045)摘要用川崎KMX15R挖掘机多路阀为例,分析了当今全液压挖掘机对多路阀所提出的一些特殊功能的要求以及多路阀为实现这些功能的结构原理。

关键词全液压挖掘机;多路阀;功能中图法分类号TU621文献标识码A随着世界性的技术进步,当今全液压挖掘机的液压系统将高效、节能、操作舒适、安全、可靠作为其主要追求目标,相继开发出多种形式的液压系统和元件。

作为液压系统的关键元件之一的多路阀,除了要满足对动臂、斗杆、铲斗三组液压缸以及回转,左、右行走马达等六个执行元件进行换向、单动、复合动作,双泵合流供油控制以及对元件的过载保护等功能外,当今液压挖掘机对多路阀还提出了向主泵提供流量控制信号,节能、行驶与作业复合动作,主安全阀两级压力控制等多种功能的要求。

本文拟用日本川崎重工株式会社九十年代开发的KMX15R型多路阀为例(图1),分析现代液压挖掘机对多路阀提出上述功能的原因以及多路阀为实现这些功能的结构原理。

1主泵流量控制信号的提供当今全液压挖掘机在提高生产率的同时,为了尽量降低能量损失,要求回路中在没有执行元件工作时使主泵的排量自动降到最小;当执行元件工作时,若阀芯全开,主泵的排量自动增大提高作业速度;阀芯微动调速时,主泵的排量自动地与执行元件需要的流量相适应。

从而减小阀芯处于中位以及进行微动过程中系统的溢流损失。

为此,液压挖掘机普遍采用了带负载敏感阀(Load Sensin g Valve)的变量主泵,利用主泵与执行元件之间的节流压差$P作为控制信号调节主泵排量(见图2 (a))。

当$P升高时,主泵排量减小;而当$P下降时,主泵排量增加。

即所谓的/负流量控制0 (Ne g ative Flow Control)。

为了满足主泵这种控制需要,液压挖掘机的多路阀要能够感受到系统对流量需求的信号且对该信号进行采集并送到主泵。

KMX15R型多路阀在两条中位回油油路上设置了簿壁小孔节流阀NR1和NR2以及与它们并联的两个溢流阀如图2(b),将两回路中节流前的回油压力信号$P1、$P2分别从油口F r、F l取出送到主泵的控制系统。

这时,两条回路中换向阀阀芯开度分别与NR1、NR2组成了两个可变节流口的节流阀。

节流前后压差由节流阀的特性方程$P=Q2KA2得到。

其中,K)))系数;Q)))通过节流口的流量;A)))节流口通流面积。

当回路中所有换向阀阀芯处于中位,泵的全部流量穿阀卸荷时,通过节流口的流量Q达到最大值。

由上述方程$P=$P max($P max由与NR1或NR2并联的溢流阀调定)由F r或F l取出的信号使主泵的排量自动减到最小。

当回路中某换向阀全开时,由于主泵的流量几乎全部进入相应的执行元文章编号:1006-7329(1999)03-0023-06收稿日期:1998-04-27作者简介:陈世教(1949-),男,湖南常德人,重庆建筑大学副教授,主要从事工程机械研究。

第3期陈世教等:现代全液压挖掘机多路阀的功能25件,通过NR1或NR2的流量几乎为零,则$P =0。

由F r 或F l 取出的信号近似等于系统的回油背压,该信号使主泵的排量自动增加到最大,以满足作业速度的需要。

当回路中换向阀阀芯处于微动时,主泵的流量经换向阀的分流部分进入相应的执行元件,其余部分经NR1或NR2回油箱。

该部分流量介于上述两者之间,则$P 有0<$P <$P max ,使主泵排量介于最大和最小排量之间而与执行元件的需求相适应,既满足了速度的要求又降低了不必要的溢流损失。

2再生回路的设置液压挖掘机作业过程中工作装置频繁提升和下降,当动臂、斗杆举升时,液压能被转化为工作装置的势能:当它们下降时,该势能又转化为液压能。

在传统的多路阀中,往往通过在动臂缸大腔、斗杆缸小腔回油路上设置单向节流阀,限制工作装置因自重造成的超速下降,致使其下降过程由工作装置势能转化成的动能,经动能转化成的液压能因节流发热增加了系统的热负荷,降低了液压系统的效率。

现代液压挖掘机的多路阀,通过设置再生回路(Re g eneration Circle)回收部分势能最终转化成的液压能,降低系统发热,既加快了工作装置的下降速度又防止了其超速下降。

在KMX15R 型多路阀中,斗杆1换向阀有两个回油通道T 1、T 2,且在T 1通油箱的通道上设置了一个二位二通阀(如图3),并从斗杆大腔进油通道上将压力油引至该二位阀底部。

当斗杆缸大腔进油压力升高,作用于二位阀底部的力大于其上端弹簧力时,该二位阀向上换位,T 1回油通道接通。

否则,二位阀处于图示位置,T 1回油通道被切断。

当斗杆1换向阀芯右移,主泵向斗杆缸小腔供油时,斗杆缸大腔回油。

此时斗杆缸大腔经T 2回油畅通,压力不高,二位阀处于图示位置。

大腔回油经T 2返回油箱,斗杆上升。

当斗杆1换向阀芯左移而主泵对斗杆缸大腔供油,铲斗不触地时,在斗杆、铲斗及斗内物料自重的作用下,斗杆会迅速下降致使斗杆缸大腔的压力降低,二位阀处于图示位置。

由于此时斗杆缸小腔经T 1通往油箱的通道图2(a)主泵负流量控制图3斗杆缸传动回路中的再生油路图2(b)KMX15R型多路阀向主泵提供负流量控制信号26重庆建筑大学学报第21卷被切断,该腔压力必然上升,当其高于大腔压力时,小腔压力油打开主阀芯内设置的单向阀进入斗杆缸大腔对其补油防止大腔吸空,下降过程中由势能经动能转化的液压能被回收利用。

若设斗杆缸大、小腔作用面积以及斗杆缸行程分别为A1、A2和L,当采用传统的多路阀时,斗杆缸伸出过程中从小腔排出的压力油A2L全部经节流阀返回油箱使系统发热。

设泵的供油量为Q,则此时斗杆缸的伸出速度为QA1。

而设置了再生回路的KMX15R型多路阀在同样的过程中,若不计损失,从斗杆缸小腔排出的这部分压力油被全部回收供给其大腔,而斗杆缸的伸出速度则加快为QA1-A2,在节能的同时又加快了斗杆的下降速度。

当斗杆继续下降铲斗触地,由于斗杆缸继续伸出受阻,导致其大腔压力上升直到其大于小腔压力时,换向阀芯内单向阀被关闭。

由于小腔回油被切断又进一步使大腔压力升高,当大腔压力油产生的作用力足以克服二位阀上端弹簧作用力使二位阀换位时,T1回油箱通道被接通,小腔回油畅通,斗杆缸即转入挖掘状态。

当今液压挖掘机的多路阀有的还在动臂缸大腔回油路上设置类似的再生回路,回收动臂下降过程中的势能,其工作原理与上述相同。

3直线行驶阀的功能及主安全阀两级压力设定全液压挖掘机在一般情况下左、右行走马达工作时,两主泵分别向两行走马达供油。

若主泵为定量泵或全功率变量泵,无论由地面附着力所决定的两主泵的瞬时工作压力相等与否,两主泵向行走马达的供油量均保持相等(为简化起见,这里不考虑两主泵、两行走马达及其换向阀容积效率和两屐带张紧程度的差异。

下同。

),整机的直线行驶性能即可保证。

若主泵为分功率变量泵,只要由地面附着力决定的两主泵的工作压力均小于各自的起始变量压力且两主泵最大流量相同时,由于两主泵均向各自的行走马达供给最大流量的压力油,此时两屐带行走直线性也可保证。

只是由地面附着力决定的两个主泵的工作压力不相等且分别超过它们的起始变量压力时,整机的直线行驶性能才不能保证。

对于采用交叉恒功率调节的变量泵,往往与负流量控制配合使用。

若两条屐带的行走阻力相等,只要控制左、右行走马达的换向阀开度一致时,两主泵流量保持相等,挖掘机直线行驶性能也能保证。

当今全液压挖掘机的多路阀设置直线行驶阀(Straight Travel Valve)的目的并不是为了解决两行走马达同时驱动时整机直线行驶性能,而是为了在两个行走马达同时工作时还可与动臂、斗杆、铲斗三组液压缸及回转马达这四个执行元件之一或它们任意两者以上作复合动作,以满足挖掘机特殊作业之需要。

为了实现这一功能。

要求多路阀能自动地将一般作业状态下一个主泵向左(右)行走马达、回转马达、斗杆液压缸供油,另一主泵向右(左)行走马达、动臂液压缸、铲斗液压缸供油的方式切换成一个主泵同时向左、右行走马达供油,另一主泵可同时向其余的执行元件供油的方式。

这时,只要两行走马达的负载相同,液压系统即可保证整机边作业边行走的直线性能。

图4直线行驶阀及导阀在KMX15R型多路阀中的作用第3期陈世教等:现代全液压挖掘机多路阀的功能27在KMX15R 型多路阀中,通过设置直线行驶阀TS 及导阀SQ 以及换向阀中位的控制油道来实现上述功能。

由图4可见,当换向阀全在中位时,来自控制泵的压力油经节流阀NZ x ,NZ y 分成两路。

一路经NZ y 穿过左边的回转、动臂2、斗杆1、换向阀后经右边的铲斗、动臂1、备用阀,即穿过除两行走马达以外的所有执行元件的换向阀中位油道回油箱。

而另一路则经NZ y 依次穿过左行马达、右行马达的换向阀中位油道之后也回油箱。

此时,两路控制油的压力均等于回油背压,阀TS 和SQ 处在图示位置。

由图4还可看到,所有这些阀芯一旦离开中位进行换向,两路控制油的回油通道均被切断。

当三组液压缸和回转马达任意一个元件单动或者它们之间作复合动作时,经NZ x 节流阀的第一路控制油的回油通道则被相应的换向阀芯切断,该路油的压力随即上升至等于伺服控制压力。

压力油在SQ 阀的进油口处于待命状态。

此时若不操作行走马达的换向阀,两主泵供油方式不会改变,挖掘机即为正常挖掘状态。

但若控制行走马达的换向阀同时或任意一个换向,则经NZ y 节流阀的第二路控制油的回油通道也被切断而压力上升至等于伺服控制压力。

此压力油将导阀SQ 下推换位。

而在其进油口待命的第一路控制油道的压力油经SQ 阀的通道左推TS 阀换位,两主泵原供油方式立即被转换成泵1同时向左边的回转、动臂2、斗杆1以及右边的备用元件、动臂1、铲斗、斗杆2供油;泵2则同时向左、右行走马达供油,液压系统即转入边行走边作业状态。

以上供油方式的转换,与操作行走马达换向阀和操作其余四个执行元件换向阀的先后顺序无关。

从上面的分析看到,将TS 阀称为/直线行驶阀0并不确切,该阀名称的字面意义与其实现的功能之间不能划等号。

类似情况在国外其他挖掘机的多路阀中也存在。

由图4还可看到,经NZ y 节流阀的控制油路的另一分支P y 被引入系统主安全阀的弹簧腔。

当行走马达动作时,P y 的压力也随着该油路的回油通道被切断而上升,从而推动主安全阀弹簧腔内的活塞使弹簧进一步压缩,使系统主安全阀的调定压力在行走工况升高,即所谓主安全阀两级压力设定。

行走时系统压力升高提高了行走马达的最大输出力矩,增大了整机的牵引力,改善了液压挖掘机的爬坡性能。